【摘要】：采用緩沖氣體冷卻的汞離子微波鐘具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定度和極低的漂移率,能夠?qū)崿F(xiàn)長期連續(xù)運行和小型化,是新一代地面守時和空間應(yīng)用原子鐘的理想選擇,在精密測量、天文觀測、衛(wèi)星導(dǎo)航和深空探測等基礎(chǔ)科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。緩沖氣體壓強變化引起的碰撞頻移是制約汞離子微波鐘長期穩(wěn)定度的關(guān)鍵因素。因此,測量評估緩沖氣體壓強的變化,實現(xiàn)對氣體壓強的穩(wěn)定控制,對于評估和改善汞離子微波鐘的性能具有重要意義。我們對常用緩沖氣體氦氣的注入方法、壓強監(jiān)測和精確調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究,實現(xiàn)了緩沖氣體壓強的長期穩(wěn)定控制。此外,采用碰撞頻移更小的氖氣做緩沖氣體,并開展了真空密封實驗,觀測了密封真空系統(tǒng)中氖氣和本底氣體的長期演化情況。本文主要成果如下:1.實現(xiàn)了氦氣壓強的精確測量和長期穩(wěn)定控制。針對現(xiàn)有氦氣注入裝置特點,全面分析影響氦氣注入速率的實驗因素,提出一種氦氣恒壓控制裝置。實現(xiàn)了氦氣壓強的精確測量和長期穩(wěn)定控制。該方法能夠?qū)⒑鈮簭姷拈L期波動控制在0.3%以內(nèi),使得氦氣碰撞頻移對系統(tǒng)長期穩(wěn)定度的影響小于1×10-15。2.研究了基于吸氣泵密封真空中氣體的演化規(guī)律并建立了基于吸氣泵密封真空的小型化原理樣機。采用吸氣泵實現(xiàn)了密封真空系統(tǒng)的長期、無能耗維持,離子囚禁時間約24小時;密封真空系統(tǒng)中的氖氣緩沖氣體按照一定的速率衰減,其衰減速率與背景真空系統(tǒng)中的氖氣壓強有關(guān),真空系統(tǒng)中氖氣壓強越高則其衰減速率越大,反之則越小。真空系統(tǒng)中的甲烷氣體的壓強在演化約60天趨于穩(wěn)定。3.基于該密封真空系統(tǒng)設(shè)計的小型化汞離子微波鐘實現(xiàn)了閉環(huán)鎖定,頻率穩(wěn)定度進入10-15量級。
【圖文】：

汞離子微波頻標是采用離子阱囚禁技術(shù)、用１９９Ｈｇ＋作為工作物質(zhì)、在微波頻逡逑段工作的頻標，其是利用１９９Ｈｇ＋離子的基態(tài)超精細躍遷２Ｓｉ／２邋（Ｆ＝０，邋ｍＦ＝０）到２Ｓｉ／２逡逑（Ｆ＝ｌ，邋ｍＦ＝０）的譜線作為鐘躍徖譜線。１９９Ｈｇ＋的能級結(jié)構(gòu)如圖１．１所示。１９９Ｈｇ＋逡逑離子的核自旋１＝１／２，基態(tài)２Ｓ１／２包含Ｆ＝０和Ｆ＝１兩個子能級。因為２Ｇ２Ｈｇ＋離子的逡逑核自旋１＝０，基態(tài)沒有超精細結(jié)構(gòu)，，并且其基態(tài)２Ｓ１／２邋（Ｆ＝ｌ）到第一激發(fā)態(tài)２Ｐ１／２逡逑的躍遷譜線波長約為１９４．２ｎｍ，與ｌｗＨｇ＋離子２Ｓｍ邋（Ｆ＝ｌ）到第一激發(fā)態(tài)２Ｐ１／２的躍逡逑遷譜線有重疊部分。因此可以采用２ｆｌ２Ｈｇ＋同位素光譜燈發(fā)出的波長為１９４．２ｎｍ譜逡逑線對１９９Ｈｇ＋離子進行光抽運，使其基態(tài)離子被抽運到２Ｐ１／２態(tài)，處于２Ｐ１／２態(tài)的汞逡逑離子經(jīng)自發(fā)福射以一定概率分別回到２Ｓ１／２邋（Ｆ＝０）和２Ｓｍ邋（Ｆ＝ｌ）態(tài)。經(jīng)不斷的循逡逑環(huán)，最終可以使１９９Ｈｇ＋離子全部布居在２Ｓ１／２邋（Ｆ＝０）態(tài)。在實驗中觀察２Ｐ１／２態(tài)自逡逑發(fā)輻射回到２Ｓ１／２態(tài)的熒光，熒光強度與上能級的離子數(shù)成正比。在外加４０．５ＧＨｚ逡逑的微波場的作用下，２Ｓｉ／２（Ｆ＝０）態(tài)的離子躍遷到２Ｓｉ／２（Ｆ＝１）態(tài)，處于２Ｓｉ／２（Ｆ＝１）逡逑態(tài)離子布居數(shù)增加重新吸收光譜燈發(fā)出的１９４．２ｎｍ譜線躍遷到２Ｐ１／２態(tài)

礎(chǔ)上演變而來［１５］。線形離子阱是由一組均勻分布在同一個圓周上的桿電極及兩逡逑個端帽組成。即四極線形阱是由四根平行排列分布在同一個圓周上的桿電極加上逡逑兩個端帽組成，結(jié)構(gòu)如圖２．１所示。在平行極桿上加載交變射頻電壓，在徑向方逡逑向囚禁離子，在端帽上施加靜電場，在軸向上囚禁離子。逡逑帽電極ｕ逡逑ｒ邋：邐二１邋—逡逑—｜

本文編號：2680935